村鎮(zhèn)建筑疊層橡膠隔震支座研究綜述

許洪振 周 亮 向志強 孫曉猛 王立君

歷次地震災(zāi)害給我國帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如1976 年唐山地震、2008 年汶川地震。據(jù)統(tǒng)計唐山地震城鄉(xiāng)居民建筑約為68 萬余間，被地震損毀的約為65 萬余間，約占95%，因此提高村鎮(zhèn)建筑的抗震性能至關(guān)重要。受到農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平的限制，以及村鎮(zhèn)居民對抗震理念的欠缺，在建房時村鎮(zhèn)居民對建筑抗震性能的考慮很少，往往為了追求房屋造價低廉而使房屋抗震水平低下。地震過后，村鎮(zhèn)建筑的破壞和損傷遠(yuǎn)大于城市建筑，因此有必要將新興的隔震技術(shù)引入村鎮(zhèn)建筑。本文總結(jié)了橡膠隔震技術(shù)的類型和優(yōu)缺點，并對橡膠隔震技術(shù)應(yīng)用到村鎮(zhèn)建筑提供了建議。

1 疊層橡膠隔震支座

疊層橡膠隔震支座隔震性能良好，其豎向承載力較大，具有良好的彈性變形與恢復(fù)及耗能能力，它在城市建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，疊層橡膠隔震支座立體圖如圖1 所示。

圖1 疊層橡膠隔震支座（來源：作者自繪）

在村鎮(zhèn)建筑中設(shè)計疊層橡膠隔震支座可以起到良好的隔震效果，顯著降低傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震能量，限位功能良好，減少財產(chǎn)損失和人員傷亡。但是加勁鋼板造價高，眾多學(xué)者提出新的材料來替換橡膠隔震支座的鋼板。譚平等[1]提出用工程塑料板作為增強材料來代替鋼板，為研究該支座特有的破壞形態(tài)，對改良的橡膠隔震支座進行壓剪試驗和軸壓試驗，結(jié)合有限元分析不同受力狀態(tài)下的破壞形態(tài)，通過試驗和有限元分析結(jié)果表明軸壓破壞形態(tài)中部工程塑料板的斷裂，而壓剪狀態(tài)下的破壞形態(tài)為封板及內(nèi)部工程塑料板的斷裂，裂縫表現(xiàn)為X 形狀。為提高橡膠支座的極限性能，可以使單層的橡膠厚度減少或者使板的厚度增加。同時，給出支座優(yōu)化的建議，即在現(xiàn)有支座參數(shù)的基礎(chǔ)上，提高單層板的厚度或者是增加塑料板的強度，從而提高橡膠隔震支座豎向力學(xué)性能和水平力學(xué)性能以及隔震性能。

有學(xué)者指出可以采用聚四氟乙烯板或者是尼龍等纖維材料代替鋼板，并進行一系列的研究。目前，關(guān)于纖維橡膠隔震支座的研究，理論推導(dǎo)較少。張志達(dá)[2]給出了纖維橡膠隔震支座的豎向剛度計算公式以及屈曲應(yīng)力的計算公式。并提出一種纖維-PTFE板橡膠組合隔震支座，對纖維-PTFE板橡膠組合隔震支座的水平力學(xué)性能進行研究，試驗結(jié)果表明，纖維布或PTFE 板對支座的水平力學(xué)性能影響不大，隨著纖維加強層層數(shù)的增多，支座的等效阻尼比也會增大，當(dāng)剪切變形較大時，支座的等效阻尼比也會更大，從而耗散的能量也會更多，起到良好的隔震效果。采用3240 環(huán)氧樹脂板作為加勁層是一種改善支座力學(xué)性能的良好方式，對3240 隔震支座進行試驗和數(shù)值模擬，分析其力學(xué)性能，結(jié)果表明：3240 隔震支座具有良好的變形性能和力學(xué)性能，其豎向剛度隨著豎向面壓的增大而逐漸減小；剪應(yīng)變增大，水平剛度減小。

為了進一步將隔震技術(shù)推廣到農(nóng)村中，采用尼龍材料作為加強層來替換鋼板是一種行之有效的思路。吳宜峰等[3]采用尼龍材料作為加強層來替換鋼板，從而研究尼龍橡膠支座的力學(xué)性能，通過豎向壓縮試驗和壓剪試驗得出，相較于疊層鋼板橡膠隔震支座，尼龍橡膠隔震支座豎向剛度明顯較低，但其豎向阻尼比較大，可達(dá)7%。此外，對疊層橡膠隔震支座和尼龍橡膠隔震支座分別進行力學(xué)性能試驗，對比了兩種支座的水平力學(xué)性能和豎向力學(xué)性能，對比表明：支座豎向力學(xué)性能受尼龍纖維材料影響較小，但對水平力學(xué)性能有較大的影響。張廣泰等[4]研究了老化-荷載耦合下廢舊疊層輪胎隔震墊力學(xué)性能，通過豎向力學(xué)性能試驗和擬靜力試驗說明了老化后的廢舊疊層輪胎隔震墊力學(xué)性能穩(wěn)定，可以顯著提高基礎(chǔ)的隔震性能。但是以廢舊輪胎作為隔震層有以下問題：第1，廢舊輪胎層之間的物理力學(xué)性能和粘結(jié)性能需要通過試驗獲得；第2，廢舊輪胎的前期處理需要耗費大量的資金，如將廢舊輪胎壓平，清理輪胎螺紋處的雜物。

王朋等[5]對疊層鋼板橡膠隔震支座進行改進，并測試新型橡膠隔震支座的水平和豎直力學(xué)性能，最后對改進的橡膠隔震支座進行數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明改進前的橡膠隔震支座未限位前，由于其水平剛度較小，隔震支座幾乎無耗能能力；限位后，改進型橡膠支座的鉛芯充分發(fā)揮其耗能性能，改進傷亡橡膠隔震支座具有變剛度的特性，在實際工程中，可以通過合理設(shè)計隔震支座解決剛度需求的矛盾。為改善疊層橡膠隔震支座鋼板造高的問題，眾多學(xué)者分別提出了不同的解決方法，提出以尼龍材料、廢舊輪胎、環(huán)氧樹脂板以及聚四氟乙烯板等代替隔震支座中的鋼板，對改善后的橡膠隔震支座進行試驗研究或數(shù)值模擬，均表明改善后的隔震支座具有良好的隔震性能，但也存在不足之處，如用廢舊輪胎制成隔震支座雖然具有良好的力學(xué)性能，但是廢舊輪胎需要進行前期處理，壓平，清理雜物等。

2 鉛芯橡膠隔震支座

鉛芯橡膠支座由橡膠層和鋼板組成，在支座中心圍繞一個實心鉛芯，鉛芯作為能量吸收裝置，如圖2 所示。鉛芯在發(fā)生地震時起到吸收能量的作用，鉛芯的大小影響鉛芯橡膠隔震支座阻尼的大小。鉛芯直徑大，阻尼大，反之小。當(dāng)隔震支座遭受到水平地震作用時，鉛芯會發(fā)生塑性變形，并耗散一定的能量，使支座在較低的側(cè)向變形下達(dá)到屈服荷載。

圖2 鉛芯橡膠支座（來源：作者自繪）

鉛芯橡膠隔震支座在往復(fù)荷載的作用下力學(xué)性能會發(fā)生退化。劉彥輝等[6]人研究了往復(fù)大變形情況下鉛芯橡膠支座的豎向力學(xué)性能和水平力學(xué)性能，通過試驗表明了在往復(fù)大變形情況下，支座的豎向力學(xué)性能基本沒有變化，但水平力學(xué)性能會發(fā)生退化，經(jīng)過一段時間后，支座的水平力學(xué)性能會恢復(fù)變形前的狀態(tài)。在長周期地震作用下，支座水平力學(xué)性能之所以發(fā)生退化，是因為鉛芯受到水平往復(fù)作用使鉛芯溫度上升。

朱宏平等[7]研究了鉛芯橡膠隔震支座在極罕遇地震作用下的抗震性能，以兩種自由度體系的鉛芯橡膠隔震支座（簡化模型的雙自由度體系和纖維模型的多自由度體系）為研究對象，分析并比較了上部結(jié)構(gòu)在罕遇地震、極罕遇地震作用下的屈服承載力，同時進一步分析了鉛芯橡膠隔震支座參數(shù)對整個隔震體系隔震性能的影響，研究表明，在極罕遇地震條件下為使鉛芯橡膠隔震支座和上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，應(yīng)加大鉛芯橡膠隔震支座的直徑，減小橡膠的剪切模量。減小抗震設(shè)防烈度并不能使上部結(jié)構(gòu)的破壞程度減小，鉛芯橡膠隔震體系的上部結(jié)構(gòu)的最大層間位移角隨著抗震設(shè)烈度的減小而逐漸增大，然而鉛芯橡膠隔震支座的剪應(yīng)變卻與之相反。

3 高阻尼橡膠隔震支座

高阻尼橡膠支座利用特種橡膠提供顯著的阻尼來耗散運動引起的能量。由于加勁鋼板的存在，提供了穩(wěn)定的豎向承載力，相比于鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座對環(huán)保更有利，高阻尼橡膠隔震支座如圖3 所示。

圖3 高阻尼橡膠隔震支座（來源：作者自繪）

往復(fù)荷載作用、往復(fù)變形作用以及地震作用均會對鉛芯橡膠隔震支座的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，在往復(fù)變形的情況下，支座溫度升高是鉛芯橡膠隔震支座水平力學(xué)性能退化的原因。如何保證鉛芯橡膠隔震體系在罕遇地震下的抗震性能以及在極罕遇地震下安全性能是一個重要的問題。

當(dāng)前學(xué)者對高阻尼橡膠隔震支座的豎向力學(xué)性能和水平力學(xué)性能研究不透徹、高阻尼性能材料的穩(wěn)定性和耐疲勞性也沒有深入研究，這就導(dǎo)致了高阻尼橡膠隔震支座很難在建筑行業(yè)得到推廣，因此需要對其豎向力學(xué)性能和水平力學(xué)性能，高阻尼性能材料的穩(wěn)定性和耐疲勞性進行研究。薛素鐸[8]研究了高阻尼橡膠隔震支座的水平力學(xué)性能和豎向力學(xué)性能，通過試驗得出的結(jié)果與規(guī)范進行對比，得出支座耗能能力受剪應(yīng)變、壓應(yīng)力的影響。通過試驗表明，隨剪應(yīng)變的增大，支座耗能能力也隨之增大；支座剪應(yīng)變對支座的水平等效剛度和等效阻尼比有影響，支座的水平等效剛度隨剪應(yīng)變的減小先增大后減小。隨著加載次數(shù)的增多，高阻尼橡膠隔震支座的水平等效剛度和等效阻尼比會隨之減小。高阻尼橡膠隔震支座壓應(yīng)力越大，滯回曲線越飽滿。隔震支座在地震作用下處于三向受力狀態(tài)，而橡膠隔震支座受力狀態(tài)的研究大多集中于雙向受力狀態(tài)。考慮到橡膠隔震支座在地震作用下是受到水平受壓以及雙向受剪的情況下工作的，丁永剛等[9]研究了三向受力狀態(tài)下高阻尼橡膠隔震支座的水平力學(xué)性能和豎向力學(xué)性能，對高阻尼橡膠隔震支座進行力學(xué)性能試驗（豎向壓縮-水平單剪試驗和豎向壓縮水平雙剪試驗），并進一步分析水平雙剪對高阻尼橡膠隔震支座力學(xué)性能的影響。試驗表明：高阻尼橡膠隔震支座在壓縮-雙向和壓縮-單向狀態(tài)下的力學(xué)性能沒有太大差別，壓縮-雙向狀態(tài)下力學(xué)性能計算公式可以近似用壓縮-單剪代替。高阻尼橡膠隔震支座的在海水侵蝕的環(huán)境下剪切性能會受到影響，在海水侵蝕時間相同的情況下，剪應(yīng)變的增大，支座屈服后的剛度比、等效阻尼比的比值會隨之減小；在剪應(yīng)變相同的情況下，海水侵蝕時間越長，支座屈服后的剛度比、等效阻尼比會隨之會增大。

高阻尼橡膠隔震支座在晝夜溫差循環(huán)大的地區(qū)，支座的力學(xué)性能會發(fā)生退化，南迪[10]以天然橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座進行溫差循環(huán)試驗，并對溫差循環(huán)后三種橡膠隔震支座的力學(xué)性能進行分析，試驗結(jié)果表明：天然橡膠隔震支座的力學(xué)性能變化程度較小，鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座均表現(xiàn)出耗能能力變差的規(guī)律，鉛芯橡膠隔震支座的等效水平剛度和豎向壓縮剛度降低，高阻尼橡膠隔震支座與之相反。在模擬溫差循環(huán)試驗的基礎(chǔ)上，對四跨連續(xù)橋梁進行有限元模型進行建立 ，分析了支座性能劣化對隔震性能的影響，分析結(jié)果表明：隔震性能隨著支座劣化的變化而變化。支座的水平剪切性能主要是受豎向力的影響，當(dāng)豎向力由12 MPa 下降到5 MPa 時，支座的水平等效剛度變化較大；繞Z軸和繞X軸的滯回曲線呈不同的形狀，繞Z軸的呈方形，繞X軸的呈平行四邊形；繞Z軸和繞X軸的扭矩均會使橡膠的水平性能有不同程度的降低；在工程中應(yīng)該考慮扭矩對水平力學(xué)性能的影響。

高阻尼橡膠隔震支座因其獨特的阻尼特性和對環(huán)境有利的優(yōu)勢受到廣泛的關(guān)注，但是經(jīng)過文獻(xiàn)分析可知現(xiàn)有研究中對高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)性能、材料穩(wěn)定性沒有深入研究，制約了高阻尼橡膠隔震支座的推廣；另外國內(nèi)隔震規(guī)范中，目前尚無溫度對隔震支座影響的相關(guān)規(guī)定，隔震分析中考慮溫度效應(yīng)的研究較少，應(yīng)對其進行重點關(guān)注。

4 橡膠隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑的建議與展望

隨著人們對隔震技術(shù)的認(rèn)識以及橡膠隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用的越來越廣泛，疊層橡膠隔震技術(shù)、鉛芯橡膠隔震技術(shù)、高阻尼橡膠隔震技術(shù)均存在自己的優(yōu)勢和不足，因此，針對村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)的相關(guān)研究應(yīng)該進一步開展。

4.1 疊層橡膠隔震技術(shù)

疊層橡膠隔震支座隔震性能良好，具有較大的豎向剛度，地震時可以產(chǎn)生較大的變形，耗能能力良好，可以顯著減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的能量，從而保護居民的生命和財產(chǎn)。但是加勁鋼板造價高，開發(fā)新的材料來替換橡膠隔震支座的鋼板是行之有效的研究思路。

4.2 鉛芯橡膠隔震技術(shù)

鉛芯橡膠支座由橡膠層和鋼板組成，在支座中心圍繞一個實心鉛芯，鉛芯作為能量吸收裝置。鉛芯直徑大，阻尼大，反之小。當(dāng)隔震支座遭受到水平地震作用時，鉛芯會發(fā)生塑性變形，并耗散一定的能量，使支座在較低的側(cè)向變形下達(dá)到屈服荷載。

4.3 高阻尼橡膠隔震技術(shù)

高阻尼橡膠支座，利用特種橡膠提供顯著的阻尼來耗散因運動引起的能量，且由于加勁鋼板的存在，提供了穩(wěn)定的豎向承載力。重點研究高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)性能，且在研究中加入了考慮溫度影響這個要素，是非常行之有效的研究思路。

5 結(jié)語

橡膠隔震技術(shù)的研究對促進村鎮(zhèn)建筑的應(yīng)用具有十分重要的意義。本文詳細(xì)梳理了疊層 橡膠隔震技術(shù)、鉛芯橡膠隔震技術(shù)、高阻尼橡膠隔震技術(shù)的優(yōu)勢和不足，介紹了疊層橡膠隔震技術(shù)、鉛芯橡膠隔震技術(shù)、高阻尼橡膠隔震技術(shù)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀。不同種類的橡膠隔震技術(shù)均可以提高村鎮(zhèn)建筑的隔震能力，但也應(yīng)對其不足之處進行研究，來提高橡膠隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑的應(yīng)用。